丁海麗 靳松林 李倫宇 閆丹丹 黃增浩 任在方 王瑞元
1 成都體育學(xué)院運動醫(yī)學(xué)與健康研究所,運動醫(yī)學(xué)與健康學(xué)院(成都610041)
2 黑龍江省中醫(yī)藥科學(xué)院(哈爾濱150036)
3 中日友好醫(yī)院(北京100029)
4 北京體育大學(xué)運動人體科學(xué)學(xué)院(北京100084)
人體長時間進行大負(fù)荷運動或承受不適應(yīng)運動負(fù)荷可導(dǎo)致肌纖維超微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,呈現(xiàn)出肌肉僵硬、肌力下降以及主觀感覺疼痛等癥狀和體征,稱為運動性骨骼肌損傷(exercise-induced muscle damage,EIMD),進而引起延遲性肌肉酸痛(delayed onset muscle soreness,DOMS)[1]。若不及時進行干預(yù),將影響肌肉工作能力、加劇損傷并影響運動表現(xiàn)[1-3]。運動誘發(fā)骨骼肌損傷后可使與肌肉收縮密切相關(guān)的“鈣庫”——內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)錯誤折疊與未折疊蛋白聚集以及鈣離子平衡紊亂,稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress,ERS),其發(fā)生與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)兩個重要功能酶Ca2+-ATP 酶(Ca2+-ATPase,SERCA)和蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(protein disulfide isomerase,PDI)密切相關(guān)[4-6]。ERS可導(dǎo)致未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response,UPR),上調(diào)UPR 靶蛋白葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose regulated protein78,GRP78)、鈣網(wǎng)蛋白(calreticulin,CRT)等表達,從而代償輔助蛋白折疊,并可啟動自噬途徑以平衡蛋白聚集與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膨脹[7-8]。適度內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激-自噬作為細(xì)胞防御機制之一,可以有效清除異?;蚶匣膬?nèi)質(zhì)網(wǎng)片段以及易聚集蛋白,維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài);過度激活則可能清除健康內(nèi)質(zhì)網(wǎng),或通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)激活其他細(xì)胞反應(yīng),不利于骨骼肌乃至整個機體健康。研究證實,134 序列相似的家庭成員B(family with sequence similarity 134,member B,F(xiàn)AM134B)可能作為一種受體蛋白,介導(dǎo)了選擇性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬[9]。該過程通過選擇性錨定受損內(nèi)質(zhì)網(wǎng),促使異常內(nèi)質(zhì)網(wǎng)碎裂成片段與正常結(jié)構(gòu)脫離,并招募自噬蛋白微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3)形成自噬體。然而,關(guān)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激-自噬與EIMD的關(guān)系如何目前鮮有研究。
EIMD 屬中醫(yī)勞損傷筋范疇?!鹅`樞-經(jīng)筋》記載:“治在燔針劫刺,以知為數(shù),以痛為腧”[10],奠定了針刺治療經(jīng)筋病的淵源。本團隊前期研究發(fā)現(xiàn)斜刺針法治療EIMD 效果顯著[11,12],并可能與線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激自噬有關(guān)。近年來,我們在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與EIMD的作用機制方面進行了研究,發(fā)現(xiàn)包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能、結(jié)構(gòu)、鈣信號等[4-6]在內(nèi)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑在EIMD 的恢復(fù)中作用顯著,但內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激-自噬這一亞細(xì)胞器水平的應(yīng)激相關(guān)機制尚不明確?;诖?,本實驗旨在觀察針刺干預(yù)對EIMD 大鼠內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激-自噬蛋白的影響,以期進一步揭示針刺改善運動性骨骼肌損傷的分子機制,為傳統(tǒng)針刺療法在運動醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用實踐提供依據(jù)。
小動物跑臺(淮北正華生物儀器設(shè)備有限公司,中國)、酶標(biāo)儀(BIO-RAD)、垂直電泳槽(北京凱元儀器設(shè)備廠)、透射電子顯微鏡(日本電子)、水平脫色搖床(北京鼎國生物技術(shù)發(fā)展中心)。
BCA 蛋白定量試劑盒(上海碧云天生物技術(shù)研究所P0012s)、大鼠內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣泵(SERCA)ELISA 試劑盒(上海碧云天生物技術(shù)研究所E02S0463)、大鼠蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)ELISA 試劑盒(上海碧云天生物技術(shù)研究所E02P0078)、組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白提取試劑盒(BestBio BB-31454-1);GRP78一抗(Abcam ab21685)、calreticulin 一抗(Abcam ab22683)、FAM134B 一抗(Abcam ab151755)、LC3B一抗(Abcam ab48394)。
健康雄性8周齡SD大鼠88只,SPF級,體重233.51 ± 11.07 g,由北京維通利華實驗動物技術(shù)有限公司提供,許可證號:SCXK(京)2012-0001,在北京體育大學(xué)科研中心實驗動物房飼養(yǎng)和訓(xùn)練。按隨機數(shù)字表法分為空白對照組(C 組)、模型組(E 組)和針刺干預(yù)組(EA組),E組和EA組根據(jù)運動及干預(yù)后不同取材時間點,又分為0 h、12 h、24 h、48 h、72 h 五個亞組,共11 個組別,每組8 只。大鼠自由飲食飲水,室內(nèi)溫度20℃~26℃,相對濕度40%~70%,12 h 明暗交替。實驗中動物處置符合國家科學(xué)技術(shù)部2006 年頒布的《關(guān)于善待實驗動物的指導(dǎo)性意見》相關(guān)規(guī)定,獲得北京體育大學(xué)運動科學(xué)實驗倫理委員會批準(zhǔn)。
參照Armstrong 等[13]的運動誘發(fā)骨骼肌損傷方案,予E 組和EA 組大鼠以一次大負(fù)荷運動建立EIMD 模型。使用小動物電動跑臺訓(xùn)練,先進行3 天適應(yīng)性訓(xùn)練,第1 天跑臺坡度0°,速度16 m/min,運動時間5 min;第2 天坡度0°,速度16 m/min,時間10 min;第3天休息。適應(yīng)性訓(xùn)練后開始正式實驗,坡度-16°,速度16 m/min,時間90 min。
運動后即刻對針刺干預(yù)組施以“阿是穴-斜刺”。固定器固定并消毒大鼠雙后肢,用直徑0.25 mm 的無菌毫針[漢醫(yī)牌,津食藥監(jiān)械(準(zhǔn))字2009 第2270002號],以斜刺進針法,針與皮膚間的傾斜角約30°,沿大鼠小腿三頭肌的縱向從遠(yuǎn)端穿過肌腹,留針2 min。前期研究證實[14],依據(jù)“以痛為腧”采用“阿是穴-斜刺”可有效治療EIMD。
取材:按照各組對應(yīng)時相將大鼠稱重,腹腔注射10%水合氯醛(3.5 ml/kg 體重)麻醉,腹主動脈取血并分離血清,迅速分離比目魚肌。冰冷生理鹽水漂洗,濾紙拭干,剔除結(jié)締組織。右側(cè)比目魚肌組織取2 mm×3 mm 組織塊投入2.5%戊二醛固定液,制備電鏡樣品,剩余組織剪碎后勻漿,待測ELISA 實驗;左側(cè)比目魚肌組織組織置于液氮迅速冷凍后-80℃冰箱保存,待測Western Blot實驗。
透射電鏡觀察肌纖維超微結(jié)構(gòu):經(jīng)戊二醛固定,鋨酸再固定,丙酮溶液脫水,環(huán)氧樹脂Spurr 包埋后,制備超薄切片,醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛雙染色。采用H-600IV型透射電子顯微鏡觀察骨骼肌纖維超微結(jié)構(gòu)。
ELISA 法測定血清血清肌酸激酶(creatine kinase,CK)、骨骼肌型肌酸激酶(creatine kinase,muscle,CK-MM)和肌組織SERCA、PDI 含量:酶標(biāo)板空白孔中加入100 μL 樣品,空白對照加入100 μL 蒸餾水,各孔加入50 μL 酶標(biāo)記溶液,密封后37℃孵育1 h;洗滌并拍干,加顯色劑A、B 各50 μL,室溫避光10 min;加50 μL 終止液,置于酶標(biāo)儀30℃孵育2 h;在550 nm波長處每隔1 min連續(xù)測定各孔光密度OD值。
Western Blot 法檢測肌組織GRP78、CRT、FAM134B、LC3 蛋白表達量:取比目魚肌于冰上研缽中剪碎、研磨,按1 mg∶10 μL 加入裂解液,14000 rpm、4℃離心10 min,取上清,BCA 試劑盒測定蛋白濃度。配制12%分離膠,5%濃縮膠,上樣量20 μg/孔;濃縮膠恒壓90 V,約20 min,分離膠恒壓120 V。濕轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)膜,麗春紅染色,封閉PVDF 膜。5%BSA-TBST 稀釋一抗(1∶1000),5%BSA-TBST 稀釋HRP 標(biāo)記山羊抗兔IgG(1∶10000)。膠片曝光,顯影,定影。分析蛋白條帶灰度值,以GAPDH為內(nèi)參計算相對表達量。
圖1 顯示,C 組肌節(jié)清晰,明、暗帶分界清楚,排列規(guī)則,Z 線整齊且兩側(cè)線粒體均勻分布。E 組0 h、12 h、24 h 和48 h 出現(xiàn)不同程度的Z 線加寬、斷裂,明、暗帶分界不清,線粒體腫脹并聚集在肌膜下,72 h有所緩解但未完全恢復(fù)。EA 組對應(yīng)時相比E 組明顯改善,72 h肌節(jié)結(jié)構(gòu)整齊,線粒體在肌膜兩側(cè)排列整齊。
圖1 各組大鼠肌纖維超微結(jié)構(gòu)圖(透射電鏡,×8000)
血清CK 和CK-MM 統(tǒng)計結(jié)果顯示,不同干預(yù)和時相兩因素以及二者的交互作用顯著(P<0.05),因此逐一分析各因素的單獨主效應(yīng)。由圖2 可知,與C 組比較,E 組CK 和CK-MM 在0 h 至48 h 均顯著升高(P<0.05);EA 組CK 在0 h、12 h、24 h 顯著升高(P<0.05),48 h 和72 h 已無顯著差異,CK-MM 呈相似變化趨勢。與E 組對應(yīng)時相比較,EA 組CK 在0 h 至48 h 均顯著降低(P<0.05),CK-MM 在0 h 和12 h 顯著降低(P<0.05)。
圖2 各組大鼠血清CK、CK-MM 含量比較(n=8)
肌組織SERCA 和PDI 統(tǒng)計結(jié)果顯示,不同干預(yù)和時相兩因素以及二者的交互作用顯著(P<0.05),因此逐一分析各因素的單獨主效應(yīng)。由圖3可知,與C組比較,E 組SERCA 在0 h 至48 h 均顯著降低(P<0.05),而PDI含量在各時相均無顯著差異;EA 組SERCA 在0 h、12 h、24 h 顯著降低(P<0.05),48 h 和72 h 已無顯著差異;PDI 在各時相均顯著升高(P<0.05)。與E 對應(yīng)時相比較,EA 組SERCA 在48 h 和72 h 顯著升高(P<0.05),而PDI在各時相均顯著升高(P<0.05)。
圖3 各組大鼠肌組織SERCA、PDI含量比較(n=8)
肌組織GRP78 和CRT 統(tǒng)計結(jié)果顯示,不同干預(yù)和時相兩因素以及二者的交互作用顯著(P<0.05),因此逐一分析各因素的單獨主效應(yīng)。由圖4可知,與C組比較,E 組GRP78 在運動后0 h 至72 h 均顯著升高(P<0.05),CRT 在0 h 至48 h 顯著升高(P<0.05);EA 組GRP78和CRT僅0 h顯著升高(P<0.05),其余時相則無顯著差異。與E 組對應(yīng)時相比較,EA 組GRP78 各時相均顯著降低(P<0.05),CRT 在24 h 和48 h 顯著降低(P<0.05)。
圖4 各組大鼠肌肉GRP78、CRT蛋白表達比較(n=8)
肌組織FAM134B 和LC3II/I統(tǒng)計結(jié)果顯示,不同干預(yù)和時相兩因素以及二者的交互作用顯著(P<0.05),因此逐一分析各因素的單獨主效應(yīng)。由圖5可知,與C組比較,E 組FAM134B 和LC3Ⅱ/Ⅰ在0 h 至48 h 均顯著升高(P<0.05);EA 組FAM134B在0 h和12 h顯著升高(P<0.05),其余無顯著差異;LC3Ⅱ/Ⅰ僅在0 h 顯著升高(P<0.05),其余則無顯著差異。與E組對應(yīng)時相比較,EA 組FAM134B 在12 h、48 h 和72 h 顯著降低(P<0.05),LC3Ⅱ/Ⅰ在12 h、24 h 和48 h 顯著降低(P<0.05)。
圖5 各組大鼠肌肉內(nèi)質(zhì)網(wǎng)FAM134B、LC3蛋白表達比較(n=8)
本實驗采用“阿是穴-斜刺”干預(yù)大鼠運動性骨骼肌損傷(exercise-induced muscle damage,EIMD),通過透射電鏡觀察和血清肌酶檢測發(fā)現(xiàn),針刺干預(yù)可以緩解肌纖維超微結(jié)構(gòu)改變,顯著下調(diào)運動后血清肌酸激酶CK 及同工酶CK-MM 水平,提示針刺可改善運動誘導(dǎo)的骨骼肌損傷,促進其修復(fù)進程,與課題組前期研究結(jié)果相一致[5-6];張安寧[15]、朱世鵬[16]等通過腓腸肌鈍挫傷模型,也證實了針刺阿是穴可有效促進骨骼肌損傷修復(fù)。
《靈樞-經(jīng)筋》首次提出“以痛為腧”,并記載了19首處方,標(biāo)志著經(jīng)筋病以痛為腧治法的形成。包括阿是穴在內(nèi)的經(jīng)筋病取穴方法,在緩解疼痛和改善運動功能等方面效果確切[17-20]。20 世紀(jì)70 年代中期,盧鼎厚先生在學(xué)習(xí)“阿是穴溫針”療法的基礎(chǔ)上,將“以痛為腧”進一步發(fā)展提出“以勞損肌束為腧”,采用“阿是穴斜刺,不提針、捻針,留針3~5 min”的方案可有效治療肌肉運動損傷,緩解大負(fù)荷運動后延遲性肌肉酸痛癥狀,促進骨骼肌機能恢復(fù)[20]。其后陸續(xù)有研究從細(xì)胞骨架、蛋白質(zhì)代謝、信號通路、細(xì)胞因子及線粒體等細(xì)胞器方面進行了機制探討[5,6,12,21]。然而,參與收縮的重要細(xì)胞器內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)機制尚有待闡明。本實驗在前期研究基礎(chǔ)上,從介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激-自噬關(guān)鍵蛋白的角度探索針刺干預(yù)EIMD的機制。
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能包括Ca2+調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)折疊修飾及脂質(zhì)膽固醇合成等。研究發(fā)現(xiàn),長時間的離心運動可導(dǎo)致肌漿網(wǎng)鈣釋放與回收能力下降,并可持續(xù)至運動后24~48 h[22]。劉陽等[5]認(rèn)為,運動誘發(fā)骨骼肌損傷后可出現(xiàn)肌細(xì)胞內(nèi)的“鈣庫”——肌漿網(wǎng)膨大,Ca2+扮演著介導(dǎo)損傷和修復(fù)的關(guān)鍵角色,而針刺可能通過影響細(xì)胞鈣信號促進損傷恢復(fù)。我們前期研究[4]也證實了運動后針刺可逐漸恢復(fù)[Ca2+]ER且有效調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激程度,初步探索了Ca2+調(diào)節(jié)機制與蛋白折疊的協(xié)同效應(yīng)。本研究結(jié)果顯示,針刺干預(yù)組Ca2+-ATP 酶(SERCA)含量在48 h 和72 h 時與模型組相比具有顯著性差異,結(jié)合其在運動即刻出現(xiàn)急劇降低至最低值的現(xiàn)象,提示一次大負(fù)荷運動后行針刺干預(yù),骨骼肌SERCA 含量恢復(fù)在早期并沒有體現(xiàn),表明SERCA 可能并未立即表現(xiàn)出針刺的直接靶點作用。
骨骼肌也具有分泌活性物質(zhì)的功能,可表達、合成和分泌多種生物信號分子,是一種極為重要的內(nèi)分泌器官[23]。分泌型蛋白前體需要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中經(jīng)過翻譯、加工、修飾等過程,才能成為成熟的蛋白質(zhì),肌肉中的分泌蛋白或者說肌肉因子于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)通過在分子內(nèi)或分子間形成二硫鍵,從而形成其天然構(gòu)象,蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)是催化這些二硫鍵形成和異構(gòu)化的重要功能酶[24],其表達有助于蛋白質(zhì)正確折疊。本研究為了完整地對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能進行評價,在分析鈣泵變化的同時,對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中唯一的分子伴侶兼蛋白折疊酶PDI含量進行了測定,發(fā)現(xiàn)相對于針刺干預(yù)后SERCA 變化情況,PDI 的反應(yīng)更為及時和明顯,從而可有效應(yīng)對運動后骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激導(dǎo)致的未折疊、錯誤折疊蛋白聚集。一次大負(fù)荷運動后PDI 含量僅在運動后即刻有所升高,而針刺干預(yù)后PDI 含量在各時相均顯著提升,可見大負(fù)荷運動后骨骼肌未能有效對抗內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能受損導(dǎo)致的蛋白折疊障礙,而針刺可緩解大負(fù)荷運動后骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能受損情況。
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能紊亂時,未折疊、錯誤折疊蛋白在腔內(nèi)聚集以及鈣離子失衡從而導(dǎo)致ERS。適度ERS 可應(yīng)對細(xì)胞環(huán)境擾動并恢復(fù)良好的蛋白折疊環(huán)境;過度ERS則引起細(xì)胞功能失調(diào)、自噬或凋亡。持續(xù)的ERS 和未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)可以激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬是參與調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能的主要方式之一,可以有效清除細(xì)胞中受損的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)片段和無效蛋白質(zhì),但過度激活則可清除細(xì)胞內(nèi)健康內(nèi)質(zhì)網(wǎng),或通過傳導(dǎo)信號激活其他細(xì)胞反應(yīng),反而加劇機體病變[25-31]。葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)、鈣網(wǎng)蛋白(CRT)定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)且為發(fā)生ERS 的重要標(biāo)志。本研究結(jié)果表明,運動后針刺干預(yù)可顯著下調(diào)GRP78 和CRT 表達,說明針刺可有效緩解EIMD 大鼠骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。CRT 作為Ca2+結(jié)合蛋白不僅可以感受鈣紊亂,還能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時幫助錯誤折疊蛋白重新折疊并激活自噬途徑[32]。大負(fù)荷運動后即刻CRT急劇增加并有可能在應(yīng)對急性的錯誤折疊與未折疊蛋白聚集以及鈣離子平衡紊亂過程中激活自噬途徑。
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬可降解多余內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜,能夠控制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)體積從而維持細(xì)胞穩(wěn)定。已有研究揭示了不同類型運動與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的關(guān)系[33],但有關(guān)運動后內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引發(fā)的后續(xù)效應(yīng)目前較少關(guān)注。134 序列相似的家庭成員B(FAM134B)家族基因與哺乳動物肌肉的生理功能密切相關(guān)[30-31]。Khaminets[9]、Kurth[34]等的研究指出,F(xiàn)AM134B 的N 端具有LIR 結(jié)構(gòu)域,可與自噬蛋白微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3(LC3)結(jié)合并相互作用,當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬啟動后,F(xiàn)AM134B錨定受損內(nèi)質(zhì)網(wǎng),幫助其碎裂成片段并與正常結(jié)構(gòu)脫離,隨即與LC3 相互作用,進而被自噬膜包裹形成自噬體。FAM134B錨定的靶向部位是含KDEL序列的蛋白,即內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留信號。CRT是定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的KDEL 家族成員,亦是骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的重要蛋白。因此,F(xiàn)AM134B 可能作為一種自噬受體蛋白,通過錨定CRT 后招募LC3,介導(dǎo)選擇性骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬。本實驗中針刺顯著下調(diào)了FAM134B、LC3Ⅱ/Ⅰ及CRT表達,提示FAM134B可能是介導(dǎo)針刺調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激-自噬水平的靶點之一,但其確切作用途徑和分子機制有待進一步探究。
本研究表明,針刺可以有效改善運動性骨骼肌損傷,促進其恢復(fù)進程,相關(guān)作用機制可能與上調(diào)二硫鍵異構(gòu)酶PDI 輔助蛋白折疊,下調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志蛋白GRP78 與CRT 表達,抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬蛋白FAM134B 與LC3表達,從而調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激-自噬水平有關(guān)。